[发明专利]基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的图案投影仪

说明书

一种基于VCSEL阵列(1201)的图案投影仪(1100)。所述VCSEL阵列(1201)具有在VCSEL芯片(1101)配置成规则图案的多个VCSEL。选择两组包括一定数量但非全部的VCSEL。在一个运行模式中，通电一组VCSEL形成低密度不规则图案。透镜系统(1102)将低密度不规则图案的图像投影到DOE(1103)上。DOE(1103)倍增图像副本并在目标曲面上生成副本矩阵。在另一运行模式中，同时通电两组VCSEL或单独通电第二组形成高密度不规则图案。高密度不规则图案的图像投影在DOE(1103)上。因此，图案投影仪(1100)可以为低分辨率和高分辨率3D感测提供不规则光图案。

技术领域

本发明涉及图案投影仪(pattern projector)，更具体地说，涉及基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的图案投影仪。

背景技术

三维(Three-dimensional，3D)传感代表了智能手机的未来发展趋势。3D传感技术也有望增强机器人、无人机和自动驾驶车辆的功能。与提供二维信息的传统相机相比，三维传感除了捕获平面图像外还能捕获深度数据，从而实现精确的面部识别、对象识别、手势感测和环境感测。此外，它还增强了增强现实(augmented reality，AR)和虚拟现实(virtualreality，VR)的功能。三维传感包括飞行时间法(Time-of-Flight，TOF)和结构光法。在TOF方法中，深度数据是通过测量从光源发射、从物体反射并最终由传感器检测的光的传播时间来获得的。在结构光法中，将预定的点状图案投影到物体上。在图案由物体的三维形状反射后会发生扭曲。通过分析图案的变化来计算物体的深度数据。VCSEL阵列可用作TOF和结构光法的光源。例如，TOF方法可以使用具有规则图案(regular pattern)的VCSEL阵列，其中VCSEL以矩阵格式(format)配置的。结构光法可以使用图案化VCSEL阵列，其中VCSEL形成预定的不规则点图案。

VCSEL在垂直于其顶面和底面的方向上产生输出光束。为了成为VCSEL阵列，VCSEL芯片可以包含产生多个输出光束的多个VCSEL。例如，可以在一个芯片上形成数千个VCSEL。由于其表面发射特性，晶圆级加工和表面贴装技术在半导体工业中得到了很好的发展，它们可以被用来廉价地大批量生产VCSEL阵列器件。VCSEL阵列具有光谱窄、温度稳定性好、成本低、体积小等优点，因此正成为三维传感领域的主流光源。

在照明应用中，VCSEL阵列中的VCSEL发射器以规则图案排列。一种常用的规则图案是矩阵。在矩阵的行和列中，任意两个相邻VCSEL发射器之间的间距是相同的。例如，30*30VCSEL阵列在每行和每列中有30个发射器，并且任何两个相邻发射器的中心之间的距离可以是恒定值，例如40微米。

然而，在三维传感的结构光方法中，VCSEL阵列的VCSEL发射器以预定的不规则(irregular)图案排列，这由结构光方法使用的特定算法确定。不规则图案示例包括随机图案和伪随机图案，其具体取决于设计需要。